JP3660367B2 - 光学遅延ライン - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は光学通信システムに関する。より詳細には、本発明は、可変であり、光通信システム内に使用することが可能な光学遅延ライン（optical delay lines ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日の商用光波システムはある位置から別の位置に長距離を通じて多量の多重化された情報を運ぶために光ファイバを使用する。局間及び局内リンク、ローカルエリア網（ＬＡＮ）及びメトロポリタンエリア網（ＭＡＮ）などのような多くの伝送ラインは光学形式であり、従って、伝送される情報は光ファイバ上を運ばれる。光学形式にて情報を伝送する主要な長所は、単一モード光ファイバと関連する非常に大きな帯域幅と低損失である。
【０００３】
通信網内においては、通常に、多くの伝送ラインからの信号が柔軟性を提供するため及び一つの伝送ラインからのトラヒックが異なる宛先に転送（reroute ）されることを許すために他の伝送ラインに交差接続或は交換されることが要求される。
【０００４】
光交換において時間領域にて使用されるために開発されている様々なアーキテクチュアはファイバループ或はファイバ遅延ライン光学緩衝（fiber-delay-line optical buffering）を使用する。P.Gavignet-Morin（ガビグネット・モーリン）らによってOFC/100C'93 Technical Digest（テクニカルダイジェスト）に発表された論文には、広帯域光網内でのパケット格納及び時間交換アプリケーション（packet storage and time-switching application ）のための可変遅延を持つ電子多重緩衝シフトレジスタ（electronic multibuffer shift register ）の等価物を光領域において実現するセットのファイバ遅延ラインに基づく高容量光バッファが開示される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
現在に至るまで、可変遅延を提供でき、経済的に実現できる光学遅延ラインを提供するための便利なアプローチが存在しない。
【０００５】
【発明を解決するための手段】
本発明によると、可変光学遅延ラインが開発される。本発明に従う可変遅延ラインは光信号に大きな範囲の時間遅延を提供することができる光集積回路に基づくが、これは比較的低コストにて実現することができる。
【０００６】
本発明の一例においては、本発明者は、例えば、米国特許第５，００２，３５０号及び５，１３６，６７１号に開示される集積光デバイスが大きな範囲の遅延を持つ可変光学遅延ラインを形成するために使用できることを認識した。より詳細には、ここに開示される発明は、光導波路にて相互接続された二つの同一の１ｘＮ波長ルーティングデバイスを含む。各相互接続光導波路は他の導波路の長さとは異なる特定の長さを持つ。遅延されるべき入り光信号を受信するために接続された１ｘＮ波長ルーティングデバイスは、少なくとも一つの入力ポート及び複数の出力ポートを持つものと見なすことができ、ここで、入力ポートによって受信されるある特定の波長の信号はこれら複数の出力ポートの特定の一つに向けられる。動作において、これら出力ポートのどれが入力信号を受信するかを決定するのはその入力信号の波長である。
【０００７】
波長シフタが受信された光信号の波長を別の波長にシフトするために第一の、つまり、入力波長ルーティングデバイスの導波路に結合される。シフタからの信号の波長に依存して、受信された光信号はこの入力波長ルーティングデバイスによって相互接続光導波路の特定の一つに向けられる。つまり、所望の制御可能な遅延を提供する特定の長さの導波路に向けられる。第二の波長ルーティングデバイスは異なる長さの様々な光学導波路の各々からの光信号を一つの共通出力導波路に向ける。第二の波長シフタがこの光出力信号をその元の波長にシフトし戻すために第二の波長ルーティングデバイスのこの共通出力導波路に接続される。
【０００８】
【実施例】
図１は本発明の原理に従う広いレンジの遅延を提供することができる可変光学遅延ライン（variable optical delay line ）の一例を示す。この可変遅延ラインは、デバイスの入力の所で異なる長さの光導波路と制御可能な波長シフタと相互接続された二つの周波数ルーティングデバイス（frequency routing device）から構成される。これら構造は、半導体ウエーハ上に部分的或は完全にモノリシック的に集積され、周知のフォトリソグラフィック技法によって形成される。
【０００９】
この構造が完全に集積されているケースにおいては、達成が可能な遅延は、ウエーハのサイズによって制約される。より大きな遅延柔軟性（delay flexibility ）は、部分的に集積された構造を使用することによって達成されるが、ここでは、遅延を得るために光ファイバが使用される。
【００１０】
図１は、リン化インジウムに基づく物質、例えば、ＩｎＧａＡｓＰのような半導体材料から製造されたウエーハ１０を図解する。既知の波長の光信号は入力光導波路１１を介して波長シフタ１３に送られるが、これは、受信された光信号の周波数を受信波長から第二の波長にシフトする。波長シフタからの光波長信号は導波路１４によってウエーハ１０上に示された第一の入力波長ルータ１２に運ばれる。波長シフタ１３からの信号の波長に依存して、ウエーハ１０上に示された単一入力導波路１４上にＮ個の入力光波長Ｆ₁ 、Ｆ₂ 、．．．Ｆ_N を受信する。第一の波長ルータ１２は、この入力光波長を受信し、波長ルータ１２の適当な出力ポート１６₁ 、１６₂ に向ける。より詳細には、入力導波路１４によって受信された波長Ｆ₁ の信号は、出力ポート１６₁ に向けられ、波長Ｆ₂ の信号は出力ポート１６₂ に向けられ、そして、波長Ｆ_N の信号は出力ポート１６_N に向けられる。
【００１１】
出力ポート１６₁ 、１６₂ ．．．１６_N の各々は長さの異なる導波路１８₁ 、１８₂ 、．．．１８_N を介して第二の波長ルータ２２の適当な入力ポート２０₁ 、２０₂ 、．．．２０_N に接続される。長さの異なる導波路１８₁ 、１８₂ 、．．．１８_N は異なる出力ポート１６₁ 、１６₂ 、．．．１６_N からの光信号に所定の量の経路長差を提供し、従って、これら導波路はそれらが運ぶ信号に異なる時間遅延を提供する。
【００１２】
導波路１８₁ 、１８₂ 、．．．１８_N は、ウエーハ１０上にウエーハの細長い部分を選択的にドーピングすることによって形成することも、或はこれらは様々な長さの個々の光ファイバであっても良い。図１に示されるリン化インジウムウエーハ１０のようなウエーハ内にこのような導波路を形成することの詳細は、一般的に知られており、本発明の部分を構成するものではない。従って、これらはここでは説明されない。
【００１３】
より詳細には、図１において、導波路１１上に受信された第一の波長の信号は波長シフタ１３によって第二の波長の信号にシフトされる。受信された光信号に加えられる波長シフトは、信号が波長ルータ１２、２２及び導波路１８₁ 、１８₂ 、．．．１８_N を通じて進むに当っての経路を決定し、従って、この信号が経験する遅延の量を決定する。制御手段１５によって波長シフタ１３の制御ポート１７に加えられた制御信号の値に依存して、導波路１１上の波長信号は、１．５μｍ領域において５０ｎｍの帯域幅を通じてシフトされ得る。波長信号をシフトするために適当な波長シフタは、B.Glance（グランス）らによって１９９２年８月２７日発行のElectronics Letters （エレクトロニクスレターズ）、Ｖｏｌ．２８、Ｎｏ．１８に掲載の論文『高性能光学波長シフタ（High Performance Optical Wavelength Shifter ）』において説明されている。この論文に開示の波長シフタは半導体光学増幅器内の利得飽和効果（gain-saturation effect）に基づく。これは、二つ或はそれ以上の波長間でマルチギガビットのデータ流を転送でき、１．５μｍにおいて５０ｎｍの帯域幅を通じてチューニング可能である。これはまた変換利得（conversion gain ）を提供し、縦続可能（cascadable）であり、一方において、信号の劣化を殆ど与えない。ここに開示される波長シフタはデータを異なる波長の信号上にコピーすることによって波長のシフトを提供する。データのコピーは、周知の利得飽和によって誘導される漏話効果に基づいて遂行される。この利得効果誘導漏話効果（gain saturation induced cross-talk effect ）は、通常は、従来の光増幅では有害なものとして回避されるが、このケースにおいては極大にされる。この効果の使用は変調フォーマットをデジタル強度変調（digital intensity modulation）に制限する。この制約内においては、結果は、波長シフトと同一である。
【００１４】
波長シフタ１３は入力導波路１４を介して第一の波長ルータ１２に結合される。第一の波長ルータ１２を通じての波長信号の経路は導波路１４上の信号の波長によって決定される。より詳細には、導波路１４上の波長Ｆ₁ の入力信号は波長ルータ１２によって出力ポート１６₁ に向けられ、波長Ｆ₂ の入力信号は出力ポート１６₂ に向けられ、そして最後に、波長Ｆ_N の入力信号は出力ポート１６_N に向けられる。出力ポート１６₁ 、１６₂ 、．．．１６_N の各々は、異なる所定の長さを持つ光導波路に接続される。本発明においては、長い遅延を持つべきである光信号は導波路１８_N のような相対的に長い光導波路に向けられ、一方、短い遅延を持つべき光信号は、導波路１８₂ のように相対的に短い光導波路に向けられる。
【００１５】
図１の説明を続けるが、出力ポート１６₁ は第一の長さの導波路１８₁ の入力に接続され、出力ポート１６₂ は導波路１８₁ よりも長い第二の長さの導波路１８₂ の入力に接続され、そして最後に、出力ポート１６_N は最も長い導波路である導波路１８_N の入力に接続される。
【００１６】
導波路１８₁ 、１８₂ ．．．１８_N は第二の周波数ルータ２２の対応する入力ポート２０₁ 、２０₂ 、．．．２０_N に接続される。周波数ルータ２２はＮ個の入力ポート２０₁ 、２０₂ 、．．．２０_N の所に出現する信号を単一出力導波路２４に向け直す。必要であれば、制御手段２８によって制御される第二の波長シフタが出力導波路２４上の信号の波長を入力光導波路１１上に最初に受信された信号の波長にシフトし戻すために接続される。最初の入力波長ルータ１２から出力波長ルータ２２に進むに当って信号が取る経路１８₁ 、１８₂ 、．．．１８_N は、その信号の波長によって決定される。こうして、各導波路１８₁ 、１８₂ 、．．．１８_N が異なる長さを持つために、信号が入力導波路１１から出力導波路２７に伝わるために必要な時間は、波長シフタ１３からの信号の波長によって決定される。本発明においては、信号が入力導波路から出力導波路に進む過程において経験する時間遅延が信号の波長を制御することによって制御される。
【００１７】
図２は図１に示される波長ルータ１２及び２２の重要な部分の詳細を示す。これら波長ルータは同一の構成を持ち得る。各波長ルータは入力導波路を介して自由領域（free region ）２８に接続された複数の入力ポート２６を含む。導波路に接続された出力ポート３０はこの自由空間領域から延長し、光学グレーティング３２に接続される。光学グレーティング３２は複数の長さの異なる導波路を含むが、これは、自由空間領域３６に接続された導波路に接続された対応する複数の入力ポート３４に所定の量の経路長差を提供する。自由空間領域３６は導波路３９に接続された複数の出力ポート３８に接続される。これらの構造及び動作の詳細については、その全内容が参照のために本出願に導入されている米国特許第５，００２，３５０号及び５，１３６，６７１号においてより完全に説明されている。波長ルータ１２の場合においては、複数の入力ポート２６の一つが図１に示されるデバイスの入力導波路１４に接続され、出力ボート３８に接続された複数の導波路３９が出力ポート１６₁ 、１６₂ 、．．．１６_N として使用される。周波数ルーティングデバイス２２の場合においては、導波路に接続された複数の入力ポート２６は図１に示される入力ポート２０₁ 、２０₂ 、．．．２０_N であり、これら導波路３９の一つが図１に示される出力導波路２４である。
【００１８】
図１のデバイスは高速高容量光通信網に使用される多数の異なる光学波長にチューニングすることができる。例えば、Ｎが３２或はそれ以上である周波数ルーティングデバイスを単一半導体ウエーハ上に好都合に製造することができる。本発明の原理によると、これは結果として、受信信号に最高３２或はそれ以上の異なる遅延を提供することができる光学遅延ラインを与える。
【００１９】
こうして、当業者においては、ここには明示的に示されない或は説明されないが本発明の原理を具現する多数の構成を考案できることが理解できるものである。従って、特許請求の範囲の精神及び広義の範囲に入るこれら全ての代替、修正及びバリエーションが本発明の原理によって網羅されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】光学可変遅延ラインの一例の図面である。
【図２】図１の周波数ルーティングデバイスの詳細を示す図面である。

Claims (11)

1. 受信された光信号の波長を変更する波長シフタと、
   該波長シフタからの信号を受信する、複数の出力ポートを有する入力波長ルーティングデバイスと、
   複数の入力ポートと少なくとも１つの出力ポートとを有する出力波長ルーティングデバイスと、
   該入力波長ルーティングデバイスの該複数の出力ポートと該出力波長ルーティングデバイスの該複数の入力ポートとの間に介挿された複数の光導波路とからなることを特徴とする可変光学遅延ライン。
2. 請求項１の可変光学遅延ラインにおいて、
   該入力波長ルーティングデバイスの複数の出力ポートと該出力波長ルーティングデバイスの複数の入力ポートとの間に介挿された複数の光学導波路は異なる長さであることを特徴とする可変光学遅延ライン。
3. 請求項２の可変光学遅延ラインにおいてさらに、
   受信された光信号の波長を制御することによって光信号に所望の遅延を提供するために異なる長さの導波路の所望の１つを受信した光信号が通って伝わるように受信された光信号の波長を変更する、該波長シフタに結合された制御手段からなることを特徴とする可変光学遅延ライン。
4. 請求項２の可変光学遅延ラインにおいて、該入力周波数ルーティングデバイスは、
   導波路に結合された少なくとも１つの入力ポートと、
   該少なくとも１つの入力ポートに結合された導波路へ接続された第１の自由空間領域と、
   該第１の自由空間領域へ接続された導波路に結合された複数の出力ポートと、
   長さが等しくない複数の導波路からなる、該複数の出力ポートに結合された導波路へ接続された光学グレーティングと、
   該光学グレーティングへ接続された導波路に結合された複数の入力ポートと、
   該光学グレーティングへ接続された該複数の入力ポートへ接続された導波路へ接続された第２の自由空間領域と、
   該第２の自由空間領域へ接続された導波路に結合された複数の出力ポートとからなることを特徴とする可変光学遅延ライン。
5. 請求項１の可変光学遅延ラインにおいて、該出力波長ルーティングデバイスは、
   複数の入力導波路と、
   該複数の入力導波路へ接続された第１の自由空間領域と、
   該第１の自由空間領域へ接続された複数の出力導波路と、
   長さが等しくない複数の導波路からなる該複数の出力導波路へ接続された光学グレーティングと、
   該光学グレーティングへ接続された複数の入力導波路と、
   該光学グレーティングへ接続された該複数の入力導波路へ接続された第２の自由空間領域と、
   該第２の自由空間領域へ接続された少なくとも１つの出力導波路とからなることを特徴とする可変光学遅延ライン。
6. 請求項４の可変光学遅延ラインにおいて、該出力波長ルーティングデバイスは、
   複数の入力導波路と、
   該複数の入力導波路へ接続された第１の自由空間領域と、
   該第１の自由空間領域へ接続された複数の出力導波路と、
   長さが等しくない複数の導波路からなる該複数の出力導波路に接続された光学グレーティングと、
   該光学グレーティングへ接続された複数の入力導波路と、
   該光学グレーティングへ接続された該複数の入力導波路へ接続された第２の自由空間領域と、
   該第２の自由空間領域へ接続された少なくとも１つの出力導波路とからなることを特徴とするの可変光学遅延ライン。
7. 請求項６の可変光学遅延ラインにおいて、該入力波長ルーティングデバイスの該複数の出力導波路の各々が該長さが等しくない複数の導波路の１つによって該出力周波数ルーティングデバイスの該複数の入力導波路のそれぞれへ接続されることを特徴とする可変光学遅延ライン。
8. 光学遅延ラインであって、
   （ａ）第１のシフタからなり、該第１のシフタは、
   （ｉ）波長ＷＡの１つの入来光信号を受信し、そして
   （ii）波長ＷＢのシフトされた信号を生成するものであり、該光学遅延ラインはさらに、
   （ｂ）Ｎ本の光経路からなる第１のルータからなり、
   （ｉ）該Ｎ本の光経路の各々はＮ個の波長のうちの１つの波長で該シフトされた信号を伝達し、そして
   （ii）該Ｎ本の光経路の全てが異なる長さであり、
   該第１のルータは、該シフトされた信号を受信して、該シフトされた信号を波長ＷＢに対応する経路を辿らせるものであり、該光学遅延ラインはさらに、
   （ｃ）該Ｎ本の光経路と共通の出力導波路との間に接続された第２のルータからなり、該第２のルータは、
   （ｉ）該シフトされた信号を波長ＷＢに対応する経路で受信し、そして、
   （ii）該シフトされた信号を該共通の出力導波路へ指向するものであり、該光学遅延ラインはさらに、
   （ｄ）第２のシフタからなり、該第２のシフタは、
   （ｉ）該シフトされた信号を該共通の出力導波路で受信し、そして
   （ii）該シフトされた信号の波長をＷＢからＷＣへシフトする、
   ことを特徴とする光学遅延ライン。
9. 請求項８に記載の光学遅延ラインにおいて、ＷＣは実質的ＷＡと同じであることを特徴とする光学遅延ライン。
10. 請求項８に記載の光学遅延ラインにおいて、該遅延ラインは、
    （ｉ）第１の波長における第１の入来光信号に第１の遅延を与え、そして
    （ii）第２の波長における第２の入来光信号に第２の遅延を与える、
    ことを特徴とする光学遅延ライン。
11. 請求項８に記載の光学遅延ラインにおいて、Ｎは３２以下であることを特徴とする光学遅延ライン。

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